第 26 卷第 9 期 2006 年 9 月 电 力 自 动 化 设 备 Electric Power Automation Equipment Vol.26 No.9 Sept.2006 91 基 于 单 片 机 控 制 的 变 频 器 设 计 ( 湖南商务职业技术学院 机电系, 湖南 长沙 410205) 袁力辉 摘要: 介绍了以 AT89C 51 单片机为控制中枢, 利用 EXB 841 专用驱动及保护器件对功率模块绝缘 栅双极晶体管( IGBT) 进行驱动与保护的变频器设计方法。介绍了 EXB841 在应用中的一些原则性事项, 阐述了 AT89C 51单片机产生正弦脉宽调制( SPWM) 脉冲的算法及编程方法, 描述了异步电动机在变 压变频( VVVF) 调速时的近似机械特性及变频调速方式下的主要对策以及带有反馈信号的输出控制 方式的实现, 最后给出了变频调速控制下的实际数据。 关键词: 中图分类号: TN 773 文章编号: 1006 - 6047( 2006) 09 - 0091 - 03 IGBT; 驱动; 逆变; 变压变频 文献标识码: B 目前, 变频器的市场价格居高不下, 变频器的普 及应用受到极大的制约 [1-2]。基于以上原因, 笔者进 行了低耗材的变频器设计制作, 通过对 1 kW 以下的 单相电动机的驱动运行, 达到了理想的效果。 Ui V1 V2 V3 V4 + C R0 VT5 VT1 VT2 V6 V5 Uo VT3 VT4 V7 V8 1 主电路方案 主电路采用交 - 直 - 交电压型逆变电路, 具有接 线 简 单 、输 出 频 率 任 意 可 调 、功 率 因 数 高 等 优 点 。 原 理图如图 1 所示[3]。 整流电路中, V1~ V4 采用普通整流管, 结构简单 无需控制, 成本低廉。逆变电路由 VT1~VT4 4 个 IGBT ( 2 个双单元模块) 组成, 便于实现变压变频( VVVF) 控制。电容 C( 其值取 3 000 μF / 450 V 即可) 作为储 能元件, 构成电压型逆变器。与电流型逆变器相比, 其中间直流环节电压值不受负 载 影 响 。IGBT 模 块 的栅极信号来自单片机 AT89C 51, 采用 PWM 技术, 由软件很容易实现既变压又变频。 收稿日期: 2005 - 11 - 02; 修回日期: 2006 - 02 - 12 4 8 LM555 6 2 1 3 +15 V + 图 1 主电路 Fig.1 The main circuit 2 IGBT 的驱动 IGBT 属电压驱动元件, 有一个容性输入阻抗, 因 此对 IGBT 驱动电路有较高的要求。 a. 驱动源内阻小, 栅极电压 UGE 有足够陡的前后 沿, 使 IGBT 的开关损耗尽量小。 b. 增加 UGE, IGBT 的通态压降和开关损耗降低, 但对负载短路的保护和安全不利, 实际选取 UGE=15V。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Application of exper t system in setting calculation of 110 kV local power networ k WU Chen - xi1, LOU Yao- lin2, ZHENG Ling- wei1, FENG Xiu - li1 ( 1. Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China; 2. Zhejiang Supcon Technology Co., Ltd., Hangzhou 310010, China) Abstr act: The expert system is applied in the relay protection setting calculation of 110 kV local intervention can be performed during the calculation. Based on the power system and the manual database of Ms-Access, the system has short circuit calculation, branch coefficient calculation and so on, and generates the setting list and saves it in database. Compared with conventional setting calculation programs, different setting rules can be selected according to different power system demands, and the reliable coefficient and sensitivity can also be modified according to particular system. The program is well modularized and setting rules can be modified in corres- ponding modules. The system has better overall performance with convenient operations. Key wor ds: setting calculation; expert system; manual intervention functions of 

92 电 力 自 动 化 设 备 第 26 卷 c. 关断时, 应使栅极电容迅速放电, 给 UGE 加一 负偏压, 使 UGE=- 5 V。 根据以上要求, 采用 EXB 841 厚膜 IGBT 高速型 专用驱动电路 [4]。EXB 841 的内部框图如图 2 所示。 5 4 过流保护 A 光电耦合器 15 14 6 2 3 1 9 图 2 EXB 841 的内部框图 Fig.2 Inner structure of EXB 841 EXB 841 的 引 脚 说 明: P1 接 IGBT 的 发 射 级 ; P2 接 +20 V 直流工作电源; P3 通过 150 Ω电阻接 IGBT 的栅极; P4 外接电容, 防止过流保护误动作, 大多数 情况下可不接; P5 为过流保护输出信号, 正常时输出 高电平, 当 IGBT 过流时输出低电平, 因此该引脚可 通 过 光 电 耦 合 器 接 外 电 源 ; P6 通 过 快 速 二 极 管 接 IGBT 集电极, 快速二极管的阳极接 P6, 通过检测 UCE 的大小判断是否发生短路或集电极电流过大; P7、P8、 P10、P11 为空端; P9 为电源地; P14、P15 分别为驱动信号 输入的 - 、+ 极, 约 10 mA 信 号 有 效, 该 信 号 由 单 片 机产生, 由于单片机在上电复位后, I / O 自动输出高 电平, 为了避免上电时逆变桥同一侧上下桥臂同时 导通而造成短路, 故设置单片机 I / O 口输出低电平 有效, P14 接单片机 I / O 口, P15 接 +12 V 电源。 EXB 841 单臂驱动电路图如图 3 所示。 +12 V +12 V R3 15 5 来 自 89C 51 的 P1.0 或 P1.1 EXB841 14 6 2 3 1 9 过流保护输出 VD1 RG +20 V + + C1 C2 EA34 - 10 C 双绞线 V1 V2 G E 图 3 EXB 841 单臂驱动电路图 Fig.3 Single - bridge drive circuit of EXB 841 在使用 EXB 841 时必须注意以下事项[5]: a. 驱 动 输 出 端 与 IGBT 栅 极 间 串 联 电 阻 RG 用 于抑制 IGBT 集电极产生大的电压尖脉冲和降低开 关噪声, 该电阻的取值与 IGBT 的额定电压、电流有 关, 对于额定电压为 1 000 V、额定电流为 5 A 的 IGBT, 取 RG=150 Ω; b. 输入电路( 光电耦合器原边) 接线远离输出电 路, 以保证有适当的绝缘强度和高噪声阻抗; c. 与 IGBT 栅射极之间的接线要小于 50 cm, 且 使用双绞线。 3 交流电动机的变频特性 交流异步电动机设计变频调速时的机械特性, 在额定频率( 通常为 50 Hz) 以上时, 如果采用恒压频 比控制, 势必增加定子电压, 这样可能导致损坏电机, 甚至造成事故。因此, 应采用恒压升频的变频调速, 这样, 电动机的转速上升, 磁通减小, 允许的输出转 矩 Tm 下 降, 而 电 动 机 的 允 许 输 出 功 率 Pm 近 似 保 持 不变, 相当于直流电动机弱磁调速的情况, 属于近似 的恒功率调速方式。近似恒功率机械特性曲线如图 4 所 示( n 为 转 速, T 为电动机输出转矩) [1]。 f 1f 2f f f 3 4 5 n O 恒 Pm 恒 Tm T 图 4 近似恒功率机械特性 Fig.4 Approximate mechanical characteristic of constant power 变频频率在额定频率以下调速时, 应采用恒压 频比控制。由于在电动机的定子供电电压保持不变 情况下, 只降低频率进行变频调速将引起磁通 Φm 增 加, 导致磁路饱和, 定子励磁电流上升, 铁耗急剧增 加, 造成电动机的功率因数和效率的下降。为了避 免上述现象的出现, 可以在频率降低时, 按照相同的 比例降低定子电压, 但这样定子绕组阻抗压降相对较 大, 故不能保持磁通不变, 只能认为是近似的恒磁通、 恒转矩调速, 其机械特性曲线如图 5 所示。 n n11n12n13 n14 1n f f 2nf 3nf 4n O T 图 5 恒压频比控制的机械特性 Fig. 5 Mechanical characteristic under constant voltage-frequency ratio control 4 AT 89C 51 的程序设计 AT89C 51 的 程 序 对 逆 变 器 的 性 能 指 标 起 着 决 定性的作用。可以充分利用 AT 89C 51 单片机内部 的软、硬件资源。根据交流电动机的变频调速特性, 采用在额定频率( 50 Hz) 以上时的调频不调压、在额 定频率以下时恒压频比的调速方案。 4.1 程序设计思路 设变频器输出频率为 f, 正弦脉宽调制( SPWM) 的调制脉冲频率为 512 f, 根据采样控制理论中冲量 相等的原则, 第 1 个输出脉冲宽度 Δt1 确定[6- 7]如下: 2πfΔt1U=Um 2π / 512 0! sin ωt d ωt 式中 f 为输出电压频率; U 为整流器输出电压平均 值( 可选为 200 V) ; Um 为预期正弦交流输出电 压峰值( 可初定为 311 V) 。 Δt1 作为单片机定时器 T0 的初值, 在启动定时器 

第 9 期 袁力辉: 基于单片机控制的变频器设计 93 T0 后, 使 P1.0 输出低电平, 驱动 EXB 841 的 P14 引脚。 T0 溢出后, 置位 P1.0, 同时启动定时器 T1, 为输出第 2 个调制脉冲作准备。第 2 个调制脉冲宽度 Δt2, 可通 过下式计算确定: 精度的电力拖动系统, 则要采用转速反馈的闭环控 制。鉴于篇幅限制, 在此不作详细介绍。 5 结语 2π f Δt2U=Um 4π / 512 2π / 512! sin ωt d ωt 定时器 T1 的初值 t11 可由下式确定: t11= 1 512 f - Δt1 2 + 1 2 ( 1 512 f - Δt2) 同理, 每相邻 2 个调制脉冲之间的时间都可通过 以上方法计算得出, 预先存于程序的数据表中, 当前 1 个输出脉冲结束后, 由查表指令取得数据赋给定时 器 T1, 每个调制脉冲的宽度 Δt i 也可通过上述方法 进行计算存入另一个数据表, 由查表指令获取后赋给 定时器 T0。需要注意的是, 当查 T11、T12、…… , 直到 查 到 T256 后, 应停止 P1.0 的低电平输出, 保持该引脚 为高电平状态, 而后由 P1.1 输出驱动另一逆变桥臂[ 8] 。 在两桥臂的切换期间, 应根据 IGBT 的关断时间指标 确定, 并加以适当的延长, 以免逆变颠覆。 4.2 恒压频比的实现 对于小型单相交流异步电动机, 一般额定电压 均为 220 V, 额定频率为 50 Hz, 当变频频率低于 50 Hz 时, 应计算出实际输出频率低于 50 Hz 的百分比 X %, 再将通过查表所得的 Δt i 与 X % 相乘, 即可实现额定 频率以下时的恒压频比控制, 进而达到恒转矩调速 的效果。 4.3 频率的自动变化 传统的家用空调、冰箱等电动机负载, 其目的是 实现恒温控制。因此, 可采用温度传感器对环境温 度进行检测[9]。当检测值低于设定值时, 输出低频率 电 压 , 最 低 频 率 可 为 额 定 频 率 的 10 % ~ 20 % , 即 5~10 Hz; 当检测值高于设定值时, 输出高频率电压, 最高频率可设为 80 ~100 Hz。为简化程序, 也可采用 频率的几级控制, 分为 10、20、50、60、70、80 Hz。频率 的自动变化也可由单片机实现。当然, 这需要 A / D 转换器。对于空调、冰箱的压缩机负载, 如果采用频 率的反馈校正, 则必要性不大。而对于小型高稳速 通过对家用 1 匹的空调器进行对比实验, 采用 了自制变频器供电与直接用电网 220 V 电源供电相 比较, 在相同的环境条件下, 设定温度为 25 ℃, 连续 运行 24 h, 通过变频器供电的空调器耗电只有电网 直接供电空调器的 72 %, 节电效果可达到约 30 %, 而自制变频器的成本不足 150 元。若不考虑程序编 写的难度, 成本可以降低更多。 参考文献: [ 1] 顾绳谷. 电机及拖动基础( 下) [ M] . 北京: 机械工业出版社, 1998. [ 2] 李丽华. 经济型变频器的研究[ J] . 仪 器 仪 表 用 户, 2004( 7) : 7 - 8. LI Li-hua. Study of a low cost frenquency converter[ J] . Elec- tronic Instrumentation Customer, 2004( 7) : 7 - 8. [ 3] 黄俊, 王兆安. 电力电子技术[ M] . 北京:机械工业出版社, 2004. [ 4] 贾正春, 马志源. 电力电子学[ M] . 北京:中国电力出版社, 2002. [ 5] 李雅轩. 电力电子技术[ M] . 北京:中国电力出版社, 2004. [ 6] 赵 晓 安. MCS- 51 单 片 机 原 理 与 应 用 [ M] . 天 津 : 天 津 大 学 出 版 社, 2001. [ 7] 秦 忠 基 . 一 种 适 用 的 单 片 机 和 变 频 器 的 接 口 [ J] . 微计算 机 信息, 1999( 2) : 69 - 70. QIN Zhong-ji. A sort of in point the transducer[ J] . Control & Automation, 1999( 2) : 69 - 70. interface of the singlechip to [ 8] 赵德元. 由单片机控制的单相 SPWM 变频器的研究[ J] . 微型机 与应用, 2003( 3) : 15 - 17. ZHAO De-yuan. Disquisition about single-phase SPWM transducer is controlled by the singlechip [ J] . Microcomputer & Its Applications, 2003( 3) : 15 - 17. the [ 9] 徐进. 基 于 单 片 机 MC68HC05 的 机 床 电 机 调 速 的 高 性 能 TPWM 变频器的实现[ J] . 组合机床与自动化加工技术, 2003( 3) : 47- 48. XU Jin. Realization of the high capability TPWM transducer regu- late speed of the machine tool electromotor based on the singlechip MC68HC05 [ J ] . Modular Machine Tool & Automatic Manufac- turing Technique, 2003( 3) : 47 - 48. ( 责任编辑: 李 玲) 作者简介: 袁 力 辉( 1964 - ) , 男, 湖 南 长 沙 人, 高 级 工 程 师, 研究方向 为单片机与电力电子( E-mail: yuanlihui2005@126.com) 。 Fr equency changer design based on single-chip YUAN Li - hui ( Department of Mechanical and Electrical, Hunan Vocational College of Commerce, Changsha 410205, China) is designed with AT89C51 single-chip as its control center and Abstr act: A frequency changer EXB841 to drive and protect IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor) . Some items of EXB841 ap - plications are introduced, and the algorithm and programming of SPWM( Sine Pulse Width Modu - lation) pulse generation using AT89C51 are elaborated. The approximate mechanical characteristic of asynchronous motor in VVVF( Variable - Voltage and Variable - Frequency) regulation and counter - measures in variable-frequency speed regulation are described. The output control mode with the feedback signal realized. Finally, the actual data in variable-frequency speed regulation are provided. Key wor ds: inversion; VVVF IGBT; drive; is